Trasformatori

Il trasformatore e la sua funzione

Trasformatore è una macchina elettrica statica impiegata per elevare o ridurre il valore della tensione. Tale esigenza deriva dal fatto che il valore di tensione di alimentazione degli apparecchi di utilizzazione dell'energia elettrica è diverso dal valore di tensione a cui l'energia elettrica viene prodotta e trasportata.

Infatti, per ragioni di sicurezza e costruttive (isolamento), la tensione di alimentazione degli apparecchi di utilizzazione dell'energia elettrica deve essere contenuta entro limiti piuttosto bassi (centinaia di V). D'altra parte, le centrali generatrici di energia elettrica sono costruite in siti assai lontani dai centri di consumo, quindi è necessario eseguire il trasporto della potenza elettrica attraverso linee di trasmissione di lunghezza rilevante, sulle quali devono viaggiare potenze ingenti.

Considerazioni economiche e costruttive

La potenza elettrica P = VIcosφ è proporzionale alla tensione, alla corrente e al cosφ. Nell'ipotesi di effettuare il rifasamento per cui cosφ ≈ 1, possiamo dire che la potenza dipende dal valore di tensione e corrente. Per ragioni economiche e costruttive, il valore delle correnti deve essere contenuto. Infatti, in questo modo, si possono contenere le perdite per effetto Joule (proporzionali al quadrato della corrente) e inoltre si può ridurre la sezione dei conduttori delle linee di trasmissione. Pertanto, quanto maggiore è la potenza che la linea deve trasmettere, tanto più la tensione dovrà avere valore elevato.

Per motivi di isolamento, l'energia elettrica viene prodotta attraverso l'alternatore, con una tensione massima di 15'000 V. Successivamente, la tensione viene elevata da trasformatori con rapporto di trasformazione elevato, per poi essere trasmessa. In genere, la tensione delle linee aeree è proporzionale alla lunghezza in m da coprire. Per esempio, per coprire 350/500 Km, è necessaria una tensione di 350'000 V.

Nei pressi delle città, la tensione viene poi abbassata, usando dei trasformatori, a circa 60'000 V per motivi di sicurezza e per contenere il valore dei campi magnetici. In città, si passa poi dalle linee aeree alle linee in cavo con tensioni di circa 10'000 V. Le linee aeree arrivano fino alle cabine di trasformazione che alimentano qualche isolato.

Costruzione del trasformatore

Il trasformatore è una macchina statica, cioè senza organi in movimento, di costruzione molto semplice e con rendimento elevato. Esso si compone di un nucleo magnetico di piccola riluttanza, realizzato con materiale di elevata permeabilità (ferro). Il nucleo non è costruito con materiale pieno ma con pacchi di lamierini in modo da ridurre le perdite per correnti parassite; ed è formato da 2 colonne (verticali) e 2 gioghi (orizzontali).

Attorno alle colonne vengono avvolti 2 avvolgimenti isolati e distinti, ciascuno costituito da un certo numero di spire. Applicando agli estremi di uno di questi avvolgimenti le tensioni alternate da trasformare V₁, si ha agli estremi dell'altro avvolgimento la tensione trasformata V₂ ≠ V₁. L'avvolgimento che viene alimentato alla tensione da trasformare V₁ viene detto avvolgimento primario. L'altro avvolgimento ai cui capi si preleva la tensione trasformata V₂ è detto avvolgimento secondario.

Il nucleo e gli avvolgimenti vengono costruiti separatamente e poi assemblati. Pertanto, tra i gioghi e le colonne vi è un piccolo traferro (spazio di aria). Vedremo in seguito che per ridurre i flussi dispersi, l'avvolgimento primario e secondario non sono disposti ognuno su una colonna, ma sono sistemati in maniera concentrica sulle due colonne.

Osservazione sull'uso dei fasori

Studieremo il trasformatore utilizzando i fasori. Per fare ciò occorre considerare un trasformatore reale al cui avvolgimento primario è applicata la tensione V_1d = V_hcos(ωt + ϕ) e poi immaginare un secondo trasformatore al cui avvolgimento primario è applicata la tensione V_1ϐ = V_hsen(ωt + ϕ) sfasata di 90° rispetto a V_1d. Combinando le tensioni V_1d e V_1ϐ attraverso l'operatore immaginario J si ottiene una tensione complessa V̅_1dϐ = V_1d + J V_1ϐ.

La tensione complessa V̅_1dϐ rappresenta nel sistema di riferimento fisso dϐ (con d asse reale e ϐ asse immaginario) un vettore rotante alla velocità ω_s. V̅_1dϐ = V_he^{J(ωt + ϕ)}